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新能源汽车PDU结构设计全面解析
浏览: 发布日期:2018-04-27

PDU作为新能源汽车产业中重要一环,本文重点来给大家介绍《PDU结构设计注意事项》

 

第一部分 PDU功能介绍

高压配电盒简称配电盒,英文简称PDU(Power Distribution Unit),新能源车高压系统解决方案中的高压电源分配单元。通过母排及线束将高压元器件电连接,为新能源汽车高压系统提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等,保护和监控高压系统的运行。

 

PDU也能够集成BMS主控、充电模块、DC模块、  PTC控制模块等功能,与传统PDU相比多了整车功能模块,功能上更加集成化,结构上更复杂,具有水冷或是风冷等散热结构。PDU配置灵活,可以根据客户要求进行定制开发,能够满足不同客户不同车型需求。PDU的核心理念与方案应该是源自军用飞机,为毛,大家可以自行脑补。

 

   BDU(Battery Disconnect Unit )电池包断路单元,专为电池包内部设计,也是配电盒的一种。目前PDU都是根据车厂需求定制,因此收集客户需求及客户整车电气性能很重要。

 

第二部分 结构造型设计

电气原理图:

实物方案:


一.总体要求:

 

1.和客户初步沟通,客户会根据产品应用场景(大巴车,公交车,乘用车,物流车),年需求量,初步给出选用下列外壳类型:塑胶,钣金,铝压铸等三种外壳材料,塑胶外壳一般用在BDU上;

2.当客户提出需求时,PDU电气原理图已经绘制好,大致外形尺寸已经给出,此时客户会和PDU厂商进一步确认电气件选型,连接器选型;

3.内部器件要求:装配便利;维护方便;所有的电气件,PCB板都要很方便的维护。

4.防护等级:IP67

 

二.外壳设计:

 

1.钣金外壳:

    材质:冷轧板SPCC,铝板AL6061 OR AL5052,不锈钢SUS304,SUS316,不锈钢不好加工,一般不选;

    表面处理:喷粉,户外粉体,外壳喷粉后盐雾测试48小时不生锈

    板厚:SPCC1.5-2.0mm;AL6061 1.5-2.0mm;SUS304:1.0-1.5mm

2.压铸铝外壳:

    材质:ACD12

    表面处理:喷砂样机,喷细沙,银色或黑色,盐雾测试48小时不生锈

板厚:4.0mm左右

3.塑胶外壳:

    材质:硬质塑料:PC,PA

    表面处理:烤漆

板厚:4.0mm左右

 

三.搭铁设计(配电盒安装孔位部件):

 

1.钣金外壳:

    板厚3mm左右,满焊

2.压铸铝外壳:

    厚度5mm左右,和壳体压铸一体成型

3.搭铁孔一般是腰型孔,大小根据客户螺丝大小决定,大多选用M5或M6螺丝固定配电盒

四.铜排设计(配电盒安装孔位部件):

 

1.根据铜排载流量速算设计

2.根据下表查询载流量:

估算法:

单条铜母排载流量= 宽度(mm) X 厚度系数

双母排载流量= 宽度(mm) X 厚度系数 X 1.5(经验系数)

铜排和铝排也可以按平方数来,通常铜应该按5-8A/平方,铝应该按3-5A/平方

 常用铜排的载流量计算方法:

  40℃时铜排载流量=排宽*厚度系数

  排宽(mm);厚度系数为:母排12厚时为20;10厚时为18;依次为:[12-20,10-18,8-16,6-14,5-13,4-12].

双层铜排[40℃]=1.56-1.58单层铜排[40℃](根据截面大小定)

3层铜排[40℃]=2单层铜排[40℃]

4层铜排[40℃]=单层铜排[40℃]*2.45(不推荐此类选择,最好用异形母排替代)

  铜排[40℃]= 铜排[25℃]*0.85

  铝排[40℃]= 铜排[40℃]/1.3

  例如求TMY100*10载流量为:

  单层:100*18=1800(A)[查手册为1860A];

  双层:2(TMY100*10)的载流量为:1860*1.58=2940(A);[查手册为2942A];

  三层:3(TMY100*10)的载流量为:1860*2=3720(A)[查手册为3780A]

 

以上所有计算均精确到与手册数据相当接近。

五.线束设计:

1.根据线束通过载流量选用合适线径,因为配电盒内部空间很紧凑,线束线径一般不超过4平方,不然线缆折弯半径太大不方便装配;

2.根据线径和两端连接器件选用合适端子;

3.电缆线径选取根据V下表载流容量的规定来选取。

 

 

第三部分 安规设计

 

一.爬电距离:

高压配电盒的爬电距离满足GB/T 18384.1中规定的相关爬电要求。

PDU内部爬电距离保持在12mm比较合理,一般参考标准IEC 60664或 GB16935,按污染等级2;污染等级 2,考虑装配公差和失效需要增大1~2mm  

 

二.抗振动性:

一般按照QC/T413-2002测试

频率:25~500Hz 每个方向8小时(箱体安装面法为Z向)

Z方向加速度30m/s2,振幅1.2mm;

Y方向加速度15m/s2,振幅0.6mm;

X方向加速度15m/s2,振幅0.6mm;

客户有指定其他测试标准,按照客户指定测试标准进行振动测试

三.抗振动性先按照上述结构设计注意事项及以往案例进行结构设计3D完成后,用软件进行受力模拟,没有问题打样实物测试,中间有问题在整改。

 

第四部分 散热设计

 

一.如果没有车载充电机,DCDC电源,按照常规设计即可,小电流选用线束,大电流选用铜排

二.有车载充电机,DCDC电源,根据车载电机,DCDC电源发热量和客户确认采用风冷散热,发热源贴在配电盒壁上,配电盒发热源壁上加散热片,散热片上加防水散热风扇

三.有车载充电机,DCDC电源,根据车载电机,DCDC电源发热量和客户确认采用液冷散热,冷冻液用油或者冷冻液。铜管穿过配电盒,水冷散热片,散热片里面有铜管

四.配电盒内部温升一般在30K,不超过50K

下图为散热方案:

 

第五部分 密封设计

 

一.上下盖密封设计:H型  密封圈  开模

 

 1.钣金件上下盖防水结构:防水螺帽,密封圈 

 

 

2.铝压铸件上下盖防水结构:密封圈

 

二.外接连接器处防水设计:

     1.选用防水连接器

     2.钣金件外壳:固定连接器的位置,铆接防水螺帽

     3.铝压铸件外壳:固定连接器的位置,做凸台,凸台上做盲孔螺纹固定连接器

 

六部分 EMC设计

 

  电磁兼容(EMC)是对电子产品在电磁场方面干扰大小(EMI)和抗干扰能力(EMS)的综合评定,是产品质量最重要的指标之一,电磁兼容的测量由测试场地和测试仪器组成。

EMC设计问题如下:

1.只有在PDU里面加了BMS,DCDC电源,车载充电机等其中的一种或几种才考虑EMC

2.BMS, DCDC电源,车载充电机,这些电气件出厂时一般都做了EMC验证,都在国标规定范围内。

3.EMS不过的话和厂商协同处理靠厂商搞定,结构设计主要方法是加高导电性屏蔽罩,厂商自己整改;因为是PDU一般是金属外壳,可以有效屏蔽电磁干扰,EMI可以完美解决。

 

 

第七部分 建模仿真设计

 

仿真设计分为热仿真,受力分析:

1.靠经验设计出3D;

2.根据3D模型用软件模拟散热和受力;

3.热仿真和受力分析可以参考行业标准。